燃气基础知识

燃气基础知识二○一二年三月一、燃气的定义燃气是由多种气体组成的混合气体。由于生产所用的原料不同及生产工艺不同，各种燃气的组成也不相同。燃气主要由低级烃（甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯），氢气和一氧化碳等可燃组分，以及氨、硫化物、水蒸气、焦油、萘和灰尘等杂质所组成。二、燃气的分类国际煤气工业联盟于1967年在第十届国际煤气工业会议上，将煤气分为三大类：第一类：人工煤气，华白指数：5700-7500；第二类：天然气，华白指数：9860-13850；第三类：石油气，华白指数：18500-22075（石油气是指数丙烷或丁烷的混合气体）。一般炉具对气体燃料的要求华白指数波动≤7%。目前国内使用的城市燃气气源有天然气、液化石油气、人工煤气。我国《城市燃气分类》（GB/T13611-92）对城市燃气做出如下分类：人工煤气5R6R7R天然气4T6T10T13T液化石油气19Y20Y22Y燃气可分为天然气、液化石油气、人工煤气、沼气等。天然气一般可分为气田气、油田伴生气、凝析气田气、煤层气、矿井气。人工煤气可分为：固体燃料干馏煤气、固体燃料气化煤气、油制气等。国内作为城市燃气的有天然气、液化石油气、人工煤气。天然气（NaturalGas）气田气：从地下开采出来的气田气为纯天然气。石油伴生气：伴随石油开采一块出来的气体称为石油伴生气。凝析气田气：含石油轻质馏分的气体。为方便运输，天然气经过加工还可形成LNG。煤层气：从井下煤层抽出的矿井气。矿井气：开采煤炭、盐等矿产时采集的体称为矿井气。液化石油气液化石油气(LiquefiedPetroleumGas,简称LPG)是以凝析气田气、石油伴生气或炼厂气为原料，经加工而得的可燃物。主要组分为丙烷、丙烯、丁烷和丁烯。此外尚有少量戊烷及其它杂质。气态液化石油气热值为93MJ/Nm3左右；液态液化石油气热值为46MJ/Nm3左右。人工燃气（煤制气）气化煤气：将其原料煤或焦碳放入工业炉（发生炉、水煤气炉等）里燃烧，并通入空气、水蒸气，使其生成以一氧化碳和氢为主的可燃气体。干馏煤气：把煤放在工业炉（焦炉和武德炉等）里隔绝空气加热，使之煤发生物理化学变化的过程叫干馏。加热后提出可燃气经净化处理还可得到焦油、氨、粗苯等化工产品，炉内存有的是焦碳。人工燃气（油制气）重油制气：也可称油制气，将原料重油放入工业炉内经压力、温度及催化剂的作用，重油即裂解，生成可燃气体，副产品有粗苯和碱渣等。沼气（生物气）沼气各种有机物质在隔绝空气的条件下发酵，在微生物作用下经生化作用产生的可燃气体，亦称生物气。其组分为甲烷和二氧化碳，还有少量氮和一氧化碳。热值约为22MJ/Nm3。三、可燃气体燃烧爆炸的基本知识当空气中含有燃气浓度增加到不能引起爆炸的浓度点称为爆炸上限；当空气中含有燃气浓度减少到不能引起爆炸的浓度点称为爆炸下限。爆炸极限范围之外，因为燃烧产生的热量不足以弥补散失的热量，无法维持继续燃烧。天然气的爆炸极限是5~15%；液化石油气的爆炸极限是1.5~9.5%。（一）可燃气体燃烧爆炸的基本知识1.1可燃气体爆炸的基本条件可燃气体燃烧爆炸的三个基本要素是：可燃气体、助燃剂（空气、氧气）和能引起燃烧爆炸反应的能量。；可燃气体燃烧爆炸的三个基本条件是：可燃气体与空气按一定比例成分子状态混合，有一定的混合空间和反应时间，温度上升到一定值或遇到点火源。防火防爆就是防止三个基本条件中的任何一个产生。1.2可燃气体爆炸的模式根据火焰的传播方式及压力波的大小分为如下四种方式：（1）定压燃烧（2）爆燃（爆炸）（3）爆轰（4）定容爆炸三种燃气的特性名称热值（kJ/m3）理论空气量（m3/m3）爆炸极限（体积%）理论燃烧温度（℃）密度（kg/m3）高低上下焦炉煤气19820176184.2135.84.519980.4686纯天然气40403364429.6415.05.019700.7435LPG12367811506228.289.71.720502.52721.3城市燃气燃烧爆炸的特点（1）突然性，可燃气体泄漏到空气中遇火后可能是先爆炸后燃烧，或先燃烧后爆炸，但爆炸都是在瞬间完成的，使人们措手不及，很难防范和采取措施。（2）复杂性，当储气罐等设施发生着火爆炸时，可能产生多次爆炸。（3）危险性，爆炸产生的冲击波对人员和设施都产生巨大的破坏作用。（二）可燃气体爆炸的表征参数2.1燃烧速度火焰相对于前方已扰动气体的运动速度叫燃烧速度，是燃烧爆炸反应气体的特征量。常温、常压下的层流燃烧速度叫标准层流燃烧速度，或基本燃烧速度。影响基本燃烧速度的主要因素有：可燃气体的性质、浓度、初始温度、压力和含有惰性气体的种类和数量。燃烧速度受各种条件的影响。如气体流动中的耗散性、界面效应、管壁摩擦、密度差、重力作用、障碍物绕流及射流效应等可能引起湍流和漩涡，使火焰不稳定，其表面变得皱折不平，层而增大火焰面积、体积和燃烧速率，增强爆炸破坏效应。在极端得情况下，由于火焰加速而使燃烧转变为爆轰。2.2理论火焰温度一定比例的可燃气体和空气混合产生的燃烧爆炸，它们的热量抱括两部分：一是由可燃气体和空气带入的物理热量（热焓）；二是它们的反应热（可燃气体热值）。如果反应是在绝热下进行，这两部分热全部用于加热反应产物本身，则反应产物所能达到的温度称为理论燃烧温度，也称为理论火焰温度。图1焦炉煤气的理论燃烧温度图2天然气和LPG的理论燃烧温度过剩空气系数理论燃烧温度℃天然气LPG过剩空气系数理论燃烧温度℃2.3定容爆炸压力城市燃气空气混合物的最高理论火焰温度大约为8～9倍初始温度，因而定容爆炸压力（绝对值）大约为8～9×105Pa，相对压力7～8×105Pa。理论燃烧温度（K）爆炸压力表压kPa天然气LPG焦炉煤气2.4爆炸压力上升速率爆炸压力上升速率定义为压力－时间曲线上升段拐点处的切线斜率。压力上升速率是衡量燃烧速度的指标，也是衡量爆炸强度的标准。容器容积对爆炸强度具有显著的影响。P(105Pa)图4容器容积对丙烷爆炸强度的影响00.51.01.52.07V=0.1m3V=1m3V=20m3720×105Pa/s75×105Pa/s27×105Pa/s（最大上升速率）T(s)2.5可燃气体爆炸的点火造成泄漏可燃气体爆炸的点火源很多，大约有以下几类：明火、热表面、电火花、切割和电焊、摩擦和撞击产生的火花、热自燃等。明火主要有炉火、烟头、火柴、蜡烛等；日常遇到的电器开关打火，电机的电刷打火，化纤衣服的静电等均属电火花放电点火；热表面点火包括电热量、摩擦轴瓦生热等。可燃气体的点火能量很低，只有几十到几百微焦耳量级，因此及易被点燃。常见碳氢化合物和空气混合气体的最小点火能约为0.25mJ量级。取人体的平均电容为200pF，化纤衣服的静电位为15kV，则其放电能量为22.5mJ，这足以点燃可燃气体。在生产、充装、使用可燃气体的场所要加强点火源的控制。爆炸性混合气体自燃温度范围组别abcde自燃点（℃）450t300450t200300t135200t135t还有一个火焰传播及其安全性的参数－火焰猝灭距离（d）。所谓猝火距离是为使火焰正好能开始传播的最小平板间距或间隙，它可用平行板装置或管形装置进行试验测定。（三）可燃气体爆炸极限、影向因素及估算3.1可燃气体爆炸极限空气中能使火焰继续不断传播所必须的最低可燃气体浓度，称为火焰传播浓度下限，又称爆炸下极限空气中能使火焰继续不断传播所必须的最高可燃气体浓度，称为火焰传播浓度上限，又称爆炸下极限影响因素：可燃气体的种类及化学性质可燃气体的纯度可燃气体和空气混合气的均匀（影响因素为扩散系数、比重和泄漏速度。扩散系数大的混合速度快，易混合均匀；反之时间长。比重与空气接近的气体，容易相互均匀混合，比重比空气小的可燃气体易向上方扩散，比重比空气大的可燃气体易沿地表面扩散，并能在死角处长时间的积聚易形成局部燃烧爆炸的危险。）可燃气体与空气混合的温度、压力爆炸容器的几何形状、尺寸和材料点火源的形式、能量和点火位置点火能量对甲烷空气混合物爆炸极限的影响点火能量（J）爆炸下限（％）爆炸上限（％）爆炸范围（％）14.913.88.9104.614.29.61004.2515.110.810003.617.513.9含氧量。爆炸极限一般是用小的点火源进行测量（起爆能量小于100J），并且所用的爆炸容器比较小（0.001—0.005m3），是在常温下测定。根据有关研究结果表明，起爆能量为10000J、体积为1m3的容器时，确定的参数接近实际情况。在选用有关可燃气体爆炸极限参数时，应弄清楚测试条件，并考虑安全系数。根据我国消防规范规定：考虑到泄漏可燃气体与空气的混合性以及由实验测定的爆炸极限与实际有差别，因此控制范围为0.5倍爆炸下限到1.5倍的爆炸上限。3.3燃气爆炸极限的估算单质纯可燃气体按完全燃烧所需氧原子数估算根据可燃气体燃烧反应所需的氧原子数和热平衡，以及空气中的氧含量，推算出可燃气体的爆炸极限。可燃气体爆炸下限1)1(76.4100NCL（体积）(4)tLVNMC]1)1(76.4[（g/L）(5)可燃气体爆炸上限)4(76.4400NCU（体积）(6)tUVNMC)4(76.44（g/L）(7)（2）按化学计量浓度估算为可燃气体的化学计量比浓度多组分可燃混合气体爆炸极限的估算（1）不含惰性气体的可燃混合气体（2）含惰性气体的可燃混合气体可燃气体爆炸下限可燃气体爆炸上限stLCC55.05.08.4stUCCstCniiiCVC,1100（四）城市燃气设施安全距离的分析在《城镇燃气设计规范》和《建筑设计防火规范》中，对不同的燃气设施和站房都规定不同的安全距离。这些安全距离都是根据超压准则理论和不同规模的爆炸破坏模拟实验数据确定的，在安全距离之外，破坏程度不超过规定的等级。爆炸对建筑物构件及各种生命破坏和毁伤实验数据：只要爆炸波的超压达到一定值，变会对这类目标构成一定程度（某一等级）的破坏。不同的爆炸源，同样的超压具有不同的破坏作用，可燃气体爆炸，在同样的超压具有更大的破坏效应。（五）城市燃气站房泄压面积的分析城市燃气的站房都属于甲类危险气体用建筑。当这些建筑为封闭式时，国标《建筑设计防火规范》规定有爆炸危险的甲、乙类厂房，应设置必要的泄压设施。泄压设施宜采用轻质屋盖作为设泄压面积，易于泄压的门、窗、轻质墙体也可作为泄压面积。作为泄压面积的轻质屋盖和轻质墙体的每平方重量不宜超过120kg。泄压面积与厂房体积比值(m2/m3)宜采用0.05～0.22。爆炸介质威力较强或爆炸压力上升速度较快的厂房，应尽量加大比值。5.1泄压计算模型5.1.1压力与泄压面积的关系5.1.2有泄压封口的密闭空间的爆炸压力发展5.1.3最大爆炸压力的影响因素泄压面积与体积比(m2/m3)(kPa绝)12341-双纹玻璃2-单纹玻璃3-2.8mm油毡4-1.5mm油毡图4最大爆炸压力与泄压面积的关系目前可燃气体危险站房一般为钢筋混凝土柱的框架结构，其抗暴压力为30kPa左右，由图4可以看出对于用较厚玻璃的门窗作泄压面积，泄压面积与体积的比值为0.2时，不能起到保护站房的目的。因此在设计泄压面积时，要注意封口材料的爆破常数，根据爆破常数确定泄压面积。5.2防爆面积的设计目前许多燃气站房的泄压面积虽然达到《建筑防火设计规范》的要求，但由于选择泄压封口材料爆破常数过大，泄压作用达不到设计的要求，发生爆炸事故时不能保护房屋结构。同时还存在建筑结构和泄压位置布置设计不合理的问题。5.2.1防爆建筑物的布置（1）使建筑尽可能紧凑而方便；（2）尽量减小或消除可积存可燃气体的死角；（3）一般不能采用地下仓库结构；（4）对不同功能的用房采用分离性的建筑结构，危险大的工序实行隔离操作；（5）屋顶尽量采用钢结构，少采用砖混结构。（6）地面下面不宜设置地沟，如果必须设置时，其盖板应严密，并应采用不可燃材料紧密填实。5.2.2泄压面积设计泄压材料的选择：应选择质轻、爆破常数小、耐大气腐蚀性强、不可燃、价格较低的材料，四周固定强度要小。泄压面